政治局集體學習的量子科技,究竟是什麼?

由國家主席習近平主持的中共中央政治局會議集體學習量子科技的消息在周末刷屏了。

習近平強調，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性， 加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。這次集體學習的目的是了解世界量子科技發展態勢，分析我國量子科技發展形勢，更好推進我國量子科技發展。

這個量子科技究竟是什麼樣的「棋」？

是什麼？

量子信息技術是量子物理與信息科學交叉的新生學科，其物理基礎是量子力學。而量子力學則是在1920年由愛因斯坦等科學家首次創立。

自從問世以來，量子科學已經先後孕育出原子彈、雷射、核磁共振等新技術，成為20世紀最重要的科學發現之一。

進入21世紀，量子科技革命的第二次浪潮即將來臨。

第二次量子科技革命將催生量子計算、量子通信和量子測量等一批新興技術，將極大地改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。

其中，量子通信是較為重要的安全技術，它利用量子態作為信息載體來進行信息交互的通信技術，利用單個光量子不可分割和量子不可克隆原理的性質，在原理上確保非授權方不能複製與竊取量子信道內傳遞的信息，以此保證信息傳輸安全。

光大證券分析師姜國平、衛書根認為，人類對量子世界的探索已經從單純的「探測時代」走向主動「調控時代」。

基本原理

量子信息的三大基本原理：量子比特、量子疊加、量子糾纏。

量子比特：比特是經典計算機信息的基本單元，要麼0，要麼1。量子比特是量子計算機的最小儲存信息單位，一個量子比特可以表示0也可以表示1，更可以表示0和1的疊加，即可處在0和1兩種狀態按照任意比例的疊加，因此，量子比特包含的信息量遠超過只能表示0和1的經典比特（下圖）。

量子疊加：就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。著名的「薛丁格的貓」理論曾經形象地表述為「一隻貓可以同時既是活的又是死的」。

量子糾纏：兩個量子糾纏在一起時，其中一個會影響另一個，並且與距離等因素沒有關係。簡而言之，兩個量子無論離得多遠，都能產生一種關聯性的互動。

多重要？

量子技術研究已成為當前世界科技研究的一大熱點。國際社會紛紛加大研發力度和投入，力爭搶佔技術制高點。

日本2013年就計劃未來10年投入400億日元研發量子信息技術。英國2014年設立「國家量子技術計劃」，每年投資2.7億英鎊用於建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發中心。歐盟2016年宣布了預算10億歐元、為期十年的「量子技術旗艦計劃」。

目前，全球量子技術最領先的是美國，近十年來每年投入約2億美元用於各細分領域的研究，2018年還幾乎在十年內撥款12.75億美元全力推動量子科學發展。

中國近年來對量子信息技術的重視和支持力度也逐漸加大，習近平在2018年強調「以人工智慧、量子信息、移動通信、物聯網、區塊鏈為代表的新一代信息技術加速突破應用」，進一步肯定了量子信息的戰略地位。

目前，產業資本紛紛加快在量子信息領域的布局。光大證券預計，該行業將進入一個從0到1的快速發展時期。

三大領域：計算、通信、測量

量子計算

1981年，諾貝爾物理學家費曼首次提出量子計算機的概念。從首次提出到現在，量子計算理論已經發展了30多年。

費曼指出，通過應用量子力學效應，能大幅提高計算機的運算速度，經典計算機需要幾十億年才能破譯的密碼，量子計算機在20分鐘內就能破譯。

招商證券張夏、陳剛介紹，量子計算的核心優勢是可以實現高速並行計算。量子計算機的量子比特數量以指數形式增長，算力將以指數的指數增長。目前，非通用型量子計算機的已經實現了1000位量子比特，在特定算法上計算效率比經典計算機要快一億倍。

而5G時代的來臨，對於量子計算而言可謂是如魚得水。張夏、陳剛做出了以下大膽的預測：

在5G時代，數據的爆發速度將比以往更加猛烈。2020年，每個人大約可以均攤到5200 GB以上的數據量，將近40%的信息都可能會被雲提供商「觸摸到」；約三分之一的數據，即超過13000EB的數據將具有大數據價值。

基於現有的計算能力，在如此龐大的數據面前，人工智慧的訓練學習過程將變得無比漫長，甚至完全無法實現最基本的人工智慧。因為數據量以及超出了內存和處理器的承載上限，這將極大限制人工智慧的發展和應用。

張夏團隊表示，量子計算將實現人工智慧的移動化，主要的應用場景包括： 車載智能系統，無人機的智能系統，或者手機上的人工智慧系統。

不過，光大證券認為，量子計算機不是傳統計算機的加強版，也不會取代經典計算機。

量子計算機在執行對現有計算機來說太過複雜的任務方面表現出眾，特別是那些需要在大數據裡面展開搜索和對大數進行質因數分解的任務。據光大證券介紹，量子計算機和經典計算機的區別主要是：

1、最大的不同點是運算方式不同，傳統計算機的運算單位是比特，即我們常說的二進位中的0和1。而量子計算機的運算單位是量子比特，是疊加狀態，可能是0，可能是1。

2、基於量子糾纏的原理，量子計算機可以同時進行多條線路的並行運算，這意味著它可以同時分析所有可能性，這也是量子計算機超強信息處理能力的源泉。如同在一堆名片裡面尋找出某個名字，傳統計算機是通過一張張分析的方式，而量子計算機是同時進行掃描多張名片，給出每張名片為「正確」的概率。迭代幾次之後，目標名片的累計概率會比別的名片都高。即使運行多次，這種算法也比經典搜索快很多。資料庫越大，其優勢越大。

3、量子計算可以通過么正變換實現可逆計算。

由於可以快速並行計算和量子行為模擬，從而重新定義程序和算法，量子計算機能夠在一些特定的應用場景有很好的優勢，比如加密通信、藥物設計、交通治理、天氣預測、人工智慧、太空探索等領域。

量子計算機到底有多強大？光大證券列舉了一個例子：

在加密通信領域，一切現有密碼學全都要重新改寫，因為用量子計算機能輕易破譯所有密碼。

經典RSA算法如果用400位數的整數來做一個RSA密鑰，現有計算機需要60萬年才能破譯，但量子計算機只要3個小時。

招商證券張夏、陳剛甚至預計，隨著量子計算機的發展，摩爾定律將可能在10年內失效：

經典計算機的計算能力趨於瓶頸。現有晶片設計工藝已達到10納米以內，而在數年內到達2納米級別後，電晶體只能容納10個原子，電子的行為將不再服從傳統的半導體理論，此時電晶體將變得不再可靠。摩爾定律到達瓶頸後，提升算力的方式只能靠增加晶片數量。

過去十幾年，大量資本進入量子計算研究領域，量子計算機逐步由「實驗室階段」向「工程應用階段」邁進。

2007 年，初創公司加拿大D-WAVE系統公司宣布研製成功16位量子比特的超導量子計算機；之後，微軟、谷歌、IBM、英特爾等巨頭紛紛宣布進軍量子計算機科研和應用領域。

在量子計算領域，中國目前還是以理論研究為主。國內僅一家初創企業，這兩年阿里巴巴、百度和華為等科技巨頭先後關注和加大了量子計算領域的投入。

量子通信

量子通信是使用量子態攜帶所要傳送的信息，並把量子糾纏作為信道，將該量子態從A地傳送到B地的一種通信方式。

據光大證券介紹，與傳統通信方式相比，量子通信在確保信息安全，增大信息傳輸量，傳輸信息高效，抗幹擾能力強等方面具有絕對優勢， 是迄今為止是唯一通過數學方式被嚴格證明的絕對安全的通信方式。

按照所傳輸的信息是經典還是量子，量子通信分為兩類：量子密鑰分發和量子態隱形傳輸。以下是光大證券所做的科普：

量子密匙分發（QKD）：在信息收發雙方進行安全的密匙共享，藉助一次一密的加密方式實現雙方的安全通信。利用量子的不可測性和不可克隆性，從而實現信息的不可竊聽，首先在收發雙方間實現無法被竊聽的安全密鑰共享，之後再與傳統保密通信技術相結合完成經典信息的加解密和安全傳輸。這是目前市場上主流也是產業化較為成熟的技術路線。

量子態隱形傳輸（QT）：基於量子糾纏態的分發與量子聯合測量實現量子態信息的直接傳輸,在量子信息的轉移過程中不移動信息載體本身。同經典通信相類似，遠距離量子通信會出現糾纏減弱。因此需要建立量子中繼以保證量子通信通暢。目前處於前沿研究階段，落地仍有困難。

其中，根據招商證券通信行業首席分析師餘俊團隊介紹，量子隱形傳態能夠藉助量子糾纏將未知的量子態傳輸到遙遠地點，而不需要傳送物質本身。

量子密鑰分發是現階段量子通信最主要的應用方式，目前已投入商用。量子隱形傳態在國內外均處於實驗室基礎研究階段，短時間內獲得商用的難度較大。

在細分領域中，保密通信是量子信息領域中率先進入實用化的技術方向。

招商證券餘俊團隊認為，量子通信並非能完全替代傳統保密通信，兩者之間可以形成差異化協同發展。

傳統的保密通信是在現代密碼學範疇內，基於數學算法，利用密碼技術實現的加密通信。傳統保密通信技術成熟度高、技術體系齊全、部署成本較低，但未來其算法可被量子計算破解，其技術發展趨勢是抗量子計算破譯的新型密碼算法（PQC），目前尚未得到使用。

量子保密通信是基於物理機制，具有抵抗計算破解的信息理論安全，產品已達實用程度，但技術標準體系仍在建設中，成本高、技術和應用仍處於推廣期。

量子通信目前整體還處在試點應用階段。隨著技術的升級和成本的降低，未來有望向商業領域拓展。

中國在試點量子通信的應用數量和網絡建設規模方面全球領先，量子通信工程試驗的規模遠超其他國家，研究成果已經逐步進入實際應用階段。並且，多項建設記錄領跑全球。2017年，我國建成全球首條商用量子保密通信線路——「京滬幹線」，長達2000多公裡。

不過，中國在晶片化方面還需進一步加強。

市場潛力有多大？

對於量子計算市場，波士頓諮詢預測稱，保守估算，到2035年，量子計算市場將達到20億美元。到2050年，市場規模將飆升至2600億美元。

如果物理量子位的錯誤率這一瓶頸能夠克服，錯誤率顯著降低，那麼到2035年，量子計算市場規模將達到600億美元，並在2050年增加到2950億美元。

對於量子通信市場，招商證券餘俊團隊認為，從長期來看，產業 應用場景十分廣泛，包括網絡信息安全、量子通信幹線、量子城域網、金融、國防和科教應用等方面。若僅考慮量子幹線以及量子城域網的建設，量子通信建設投資規模有望達到百億級別。考慮長期在國防、金融、政府等領域的廣泛應用，量子通信整體市場規模有望超過千億。

前瞻產業研究院的數據顯示，2017年，中國量子通信行業市場規模達到180億元，到2018年將達到320億元左右，預計到2024年能夠達到912億元。

關注什麼？

招商證券餘俊團隊認為，量子通信網絡目前的主要應用場景仍集中在短距城域網/區域網中，隨著量子通信網絡部署規模擴大，將在一定程度上拉動光纖市場需求。

量子通信通常通過光纖傳送單光子，由於單光子量子態信號與傳統光信號同光纖混合傳輸時將導致性能劣化，因此量子通信系統組網時通常需要額外的獨立光纖鏈路資源。

截止到2018年底，我國已建成的實用化光纖量子通信網絡總長已達7000餘公裡。未來隨著廣域量子通信骨幹網的逐步規模化，有望持續帶動上遊光纖市場發展。

量子通信產業鏈主要包含元器件、核心設備、傳輸幹線、系統平臺、下遊應用等環節。

其中，上遊主要為元器件及量子核心設備，如：國盾量子、神州量子等，目前參與企業較少，呈寡頭格局。中遊主要包括網絡傳輸幹線提供商及系統集成商，如：神州數碼等。下遊主要是各種行業應用，主要涉及金融、軍事、政務等領域。